VCSEL激光器主要性能参数介绍

1977年，日本东京工业大学的伊贺健一(KenichiIga)提出VCSEL的概念，VCSEL是垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)的简称，是一种半导体激光器，其光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射。与一般用切开的独立芯片制程、激光由边缘射出的边射型激光有所不同，典型的VCSEL 为顶发射结构。

 

VCSEL主要由三部分组成，即激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔。工作物质是发出激光的物质，但不是任何时刻都能发出激光，必须通过崩浦源对其进行激励，形成粒子数反转，发出激光，但这样得到的激光寿命很短，强度也不会太高，并且光波模式多，方向性很差。所以还必须经过顶部反射镜(Top Mirror)和底部反射镜( Bottom  Mirror)组成的谐振腔，在激光腔(Laser Cavity)内放大与振荡，并由顶部反射镜(Top Mirror)输出，而且输 出的光线只集中在中间不带有氧化层(Oxide Layers)的部分输出。这样就形成了垂直腔面的激光发射，从而得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光。结构示意图如下图所示：

VCSEL的发光原理：VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。衬底方面，不同材料衬底厚底不同，但总体厚度约100-150um,在制作时保留300-600um厚，方便机器手抓取。外延方面，共200多层，总厚度才8-10um（包括谐振腔），外延片不能太厚，主要原因是MOCVD烤炉的时间效率（10um需要烤10小时）及偏差（越高越容易走形）考虑。VCSEL与其它半导体激光发光原理一样，首先要实现能量激发，通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带，当电子由导带返回价带时，将能量以光能的型式释放出来。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大，谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射（谐振腔长200nm，来回几千次后，总路径可长达4mm），不停地通过发光区吸收光能，使受激光多次能量反馈而形成激光。

从1960年人类首次制造出激光器并成功发射激光开始，人们认识到了激光重要特性和激光器的广泛应用前景。从此，激光器的研究受到世界各国科学家和科研爱好者的青睐。针对VCSEL激光器，金鉴实验室可对其进行了不同层面的检测。

一、VCSEL激光器主要性能参数：

1.正向电压VF：指激光器工作在一定前向驱动电流的条件下（一般为Ith+20mA）对应的正向电压值，包括激光器的带隙电压VBG及等效串联电阻的压降I*RL。

2.P-I特性曲线、转换效率：指激光器总的输出光功率P与注入电流I的关系曲线，曲线的斜率是激光器电光转换效率SE(mW/mA)，它是激光器的量子效率与器件耦合效率的乘积。是衡量泵浦电流和发射光功率之间的线性关系，一般当电流变大，发射光功率也随之变大，所以单位为mW/mA。

 

典型的激光器P-I曲线

由P-I曲线可知，LD是阈值型器件，随注入电流的不同而经历了3个典型阶段： 

当注入电流较小时，有源区里不能实现粒子数反转，自发辐射占主导地位，LD发射普通的荧光，光谱很宽，其工作状态类似于一般的发光二极管。

随着注入电流的加大，有源区里实现了粒子数反转，受激辐射开始占主导地位，但当注入电流仍小于阈值电流时，谐振腔里的增益还不足以克服损耗，不能在腔内建立起一定模式的振荡，LD发射的仅仅是较强的荧光，称为“超辐射”状态。

只有当注入电流达到阈值以后，才能发射谱线尖锐、模式明确的激光，光谱突然变窄并出现单峰（或多峰）。

3.光束发散角：发散角越小，越容易与光纤及其他光学元件耦合且效率越高。

VCSEL输出光束的远场分布如上图所示，远场光束发散角为6.6°

4.峰值波长：光谱中若干发射模式中最大强度的光谱波长。

5.线宽：激光某一单独模式下的光谱宽度，光谱仪可测试，一般表达形式：nm，Hz，cm-1。该参数与激光本身的波长有关。

6.漏电流IR：漏电流大小对激光器的光均匀性影响很大，因此是衡量激光器件好坏的重要参数。

7.阈值电流：指激光器由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值，它与激光器的材料和结构相关。值得注意的是高温下阈值电流通常会增大，所以模块的温补偏置和调制电流通常是增大的。阈值电流可以通过LIV曲线来测量。

 

8.均匀性：指激光器出光的均匀性，一般用近场方式测试。

 

VCSEL的近场分布图（曲线 abc表示不同VCSEL激光器）

9.温度-波长漂移：温度对激光器结构的影响可以分为三个部 分: 一是温度的升高使得整个谐振腔材料膨胀，整个腔的物理长度发生变化； 二是腔内的空间层和 有源层的折射率随温度变化，导致整个腔的光学 长度发生了变化； 三是分布布拉格反射镜( DBR) 随温度而变化，导致中心波长发生微小的变化，但由于DBR反射带宽较宽，不影响整个器件性能。以上因素共同作用，最终将导致腔模发生漂移。

不同温度条件下的中心波长变化曲线

二、VCSEL激光器结构

聚焦离子束(FIB)与扫描电子显微镜(SEM)耦合成为FIB-SEM双束系统后，通过结合相应的气体沉积装置，纳米操纵仪，各种探测器及可控的样品台等附件成为一个可分析VCSEL芯片的常用设备。金鉴实验室通过FIB获取芯片膜层剖面对各膜层检查以及厚度的测量检测工艺稳定性。

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